振动时效

振动时效设备压力容器振动时效消除应力技术可行性分析

1　消除应力机理

　　振动消除应力实际上就是用周期的动应力叠加, 使局部产生塑性变形而释放应力。振动处理时,通过激振器对被处理金属构件施加一交变应力,如果交变应力幅与被处理的金属构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时, 这些点将产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,但同样会产生微观塑性变形, 而且这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大点上, 使这些点受约束的变形得以释放，从而降低了残余应力。亦即当σ动 + σ残 ＞σs时，就会降低或均化构件内的残余应力。式中σ动为施加在被处理件上的周期动应力,σ残为被处理件中的残余应力,σs为被处理件材料的屈服极限,单位均为MPa。 根据上述机理和大量实践,表明振动时效的一个突出特点是:高应力降低的比例大,特别是在应力集中处,残余应力降低较快［1］。

2　发展状况

　　用振动法消除金属构件的残余应力技术,1900年在美国就取得了专利。60 年代由于能源危机,美国、英国、日本及前联邦德国等又开始研究VSR的机理和应用工艺。据统计,目前世界上正在使用的VSR系统已超过1万台,美国有700多个公司采用VSR工艺,前苏联和东欧一些国家也大量使用。许多国家已将VSR定为某些机械构件必须采用的标准工艺。除在一些大型机械的铸造及焊接构件上应用VSR外,美、英等国在其它工业部门也大量采用该方法,如造纸机械厂、船舶轴承厂、激光焊机厂、 齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机械厂、泵制造厂、采油设备厂、发电厂和锅炉厂等［1］。
　　我国在振动时效技术机理、工艺参数及设备等方面的研究均做了大量的工作, 取得了许多突破性的成果。1991年11月该项技术得到机电部的肯定并予以推广, 同时制定了机械行业标准JB/T 5926-91《机械振动时效技术参数》。1991年该项技术被国务院新技术办公室批准为国家重点推广项目。1993年被国家科委列为"国家级科技成果重点推广计划"项目。

3　试验与应用

3.1　应用

　　大连理工大学的研究结果表明，振动时效对金属焊缝及热影响区材料的力学性能基本没有影响, 但因残余应力的降低和均化却使焊缝材料的断裂韧度和疲劳极限明显提高。在疲劳极限的提高上振动时效要优于热处理［2～4］。 国内的研究结果还证明，由于采用振动时效降低和均化了焊接应力,因此提高了构件的抗应力腐蚀能力［5］。
　　振动时效设备早在五六十年代, 国内一些厂家在压力容器制造中就已采用机械法消除残余应力。如对多层高压容器的厚壁筒节环焊缝进行焊接时,焊接工艺规定，每焊完一遍均要用风把对焊缝进行振动敲击,以调整残余应力。在焊接工艺中,为了减少焊接裂纹,往往增加敲击的内容，这些都是用机械法调整焊接残余应力的实例。
　　哈尔滨焊接研究所和沈阳蒸压釜制造厂对生产的压力容器蒸压釜部件及整体采用振动时效处理,消除焊缝区应力40%以上［6］。 济南第一机床厂为山东齐鲁石化公司储运厂生产的2 500 m3液碱罐, 做了振动时效处理,消除应力30%左右,达到了设计要求［7］。湖北省1台200 m3液化石油气球罐,安装组焊后,采用振动法消除焊接应力 10%～29%,平均约为15%［8］。

3.2　试验

　　虽然国内一些单位对压力容器已有用振动时效代替热处理的实例, 但是由于压力容器是有爆炸危险的特种设备, 国内外压力容器制造法规和标准中均有要进行热处理的明确规定。笔者认为,振动时效作为一项新技术,要在压力容器制造中代替成熟的热处理工艺,必须通过试验获取大量的测试数据,充分地证实其可行性,并通过技术鉴定,且经逐步推广和使用实践,最后才能形成用于压力容器的标准。基于上述考虑,大连锅炉压力容器检验研究所与大连理工大学早在1992 年就共同研制开发振动时效在压力容器上的应用,并于1993年初,首次对金州重型机器厂设计生产的3台残液罐进行了2种消除焊接应力方法的对比试验和测试。残液罐技术参数：V=5　m3,p设=1.8　MPa,主体材质为16MnR,Di= 1 500　mm,δ=12　mm,图样要求焊后进行消除应力热处理。
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　　试验中用"盲孔法"测量了3台残液罐在处理前后的残余应力，见表1。在对接焊缝的纵向和环向焊缝的焊趾处各选5个测点,其中1、3、5、7、9为应力消除前测点,2、4、6、8、10为应力消除后测点(图1)。也测试了一块与容器一起进行振动时效处理的焊接试板在处理前后的残余应力。 采用振动时效消除应力处理的残液罐,按照JB 4708-92《钢制压力容器焊接工艺评定》要求做了焊接工艺评定, 评定试板在振动前后均进行磁粉探伤,未见异常，评定结果合格。